A NBR 12655 (ABNT, 2015) especifica o consumo mínimo de cimento dependendo da classe de agressividade em que se encontra a estrutura de concreto. Dessa forma, o consumo mínimo varia de 260 a 360 kg/m3, quando a resistência à compressão
varia de 20 para 40 MPa. Há ainda uma restrição de máxima relação água/cimento e mínima resistência prescritas para cada umas das quatro classes de agressividade do ambiente, como pode ser verificado na Tabela 2.
Tabela 2 Correspondência entre classe de agressividade e qualidade do concreto
Concreto Tipo Classe de agressividade
I II III IV
Relação água/cimento em massa CA ≤ 0,65 ≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,45 CP ≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,50 ≤ 0,45 Classe de concreto (ABNT NBR
8953)
CA ≥ C20 ≥ C25 ≥ C30 ≥ C40 CP ≥ C25 ≥ C30 ≥ C35 ≥ C40 Consumo de cimento Portland por
metro cúbico de concreto kg/m³ CA e CP ≥ 260 ≥ 280 ≥ 320 ≥ 360 Fonte: NBR 12655 (ABNT, 2015).
Nota: CA - Componentes e elementos estruturais de concreto armado; CP - Componentes e elementos estruturais de concreto protendido.
A Tabela 3 contém resultados de alguns trabalhos da literatura, com consumos de cimento inferiores ao mínimo estabelecido pela NBR 12655 (ABNT, 2015) para os valores de resistências à compressão, aos 28 dias, encontrados nos estudos. Observa-se que os consumos variam de 149 kg de cimento para um concreto de 43,0 MPa de resistência à compressão, do estudo de Grazia et al. (2019), a 355 kg de cimento para um concreto de 100,3 MPa, do estudo de Campos, Klein e Marques Filho (2020). Ou seja, verifica-se que para um concreto de 43,0 MPa de resistência à compressão, o consumo de cimento utilizado corresponde apenas a cerca de 41 % do limite estabelecido pela NBR 12655 (ABNT, 2015) que é de 360 kg de cimento no mínimo, para um concreto C40, como visto na Tabela 2.
Os resultados dos estudos em concretos convencionais mostram que os requisitos de norma sobre consumos mínimos de cimento devem ser revistos, levando em consideração o aumento dos conhecimentos científicos sobre mistura e produção de concretos, como a adoção das teorias sobre empacotamento, dispersão das partículas e afinidades químicas entre finos aglomerantes e aditivos, como já foi defendido por Wassermann, Katz e Bentur (2009) e Scrivener, John e Gartner (2018). Tais avanços no conhecimento ampliam a possibilidade de se obter maior eficiência no uso dos ligantes e permitem aplicar consumos inferiores aos estabelecidos em norma, sem prejuízo sobre a resistência e durabilidade dos concretos produzidos. Além das implicações econômicas e
ambientais, que ao se reduzir o consumo de cimento, reduz as emissões de CO2e o custo ambiental do cimento incorporado ao concreto.
Tabela 3 Levantamento bibliográfico dos valores de consumo de cimento e resistência à compressão, aos 28 dias, de concretos convencionais
Autor Consumo de
cimento (kg/m³) Resistência à compressão, aos 28 dias (MPa)
Campos, Klein e Marques Filho (2020)
315 90,6
335 104,2
355 100,3
Damineli (2013) 200 66,0
Grazia et al. (2019)
282 70,0
261 66,0
214 54,0
197 54,0
161 49,0
149 43,0
Matos, Sakata e Prudêncio (2019) 328 58,9
292 57,8
255 55,3
Rebmann, Trigo e Liborio (2010) 235 37,3
Rebmann (2011) 200 51,0
210 34,0
Wassermann, Katz e Bentur (2009) 221 40,0
259 40,0
Damineli et al. (2010) realizaram um levantamento de publicações nacionais e internacionais para avaliar em que níveis de consumo de ligantes se encontram os concretos convencionais produzidos. Além disso, os autores avaliaram a eficiência desses concretos usando os dois indicadores de desempenho: IC e IL descritos no item 2.4. Um total de 156 artigos foram selecionados, dentre os publicados no período de 1988 e 2009, ou seja, foram analisados 20 anos de estudos em concretos produzidos com agregados naturais.
A Figura 7 apresenta o IC versus a resistência à compressão, aos 28 dias, enquanto na Figura 8 estão apresentados os resultados do IL versus a resistência à compressão, aos 28 dias, do levantamento realizado por Damineli et al. (2010).
Figura 7 Intensidade de CO2 (IC) estimada versus resistência à compressão, aos 28 dias (Fonte: DAMINELI et al., 2010)
Figura 8 Intensidade de ligantes (IL) versus resistência à compressão, aos 28 dias (Fonte:
DAMINELI et al., 2010)
O IC mínimo encontrado foi da ordem de 1,5 kg.m-3.MPa-1 para todas as faixas de resistência à compressão, aos 28 dias, avaliadas (cerca de 6 a 135 MPa). Em relação ao IL, o resultado do levantamento proposto por Damineli et al. (2010) mostrou valores variando de 4,3 a 29 kg.m-3.MPa-1,sendo que a maior parte dos concretos apresenta valores de IL entre 5 e 15 kg.m-3.MPa-1, conforme mostrado na Figura 8.
É importante lembrar que os valores de IC contêm certa imprecisão, devido às considerações feitas para a obtenção dos resultados, uma vez que apenas as emissões relacionadas com o consumo de clínquer foram consideradas. Assim, observou-se formulações de concretos com alto valor de Intensidade de Ligantes (IL) mas baixo valor de Intensidade de CO2 (IC) e, portanto, segundo Damineli et al. (2010), os valores encontrados para o IL são mais representativos da determinação da eficiência dos ligantes.
Damineli et al. (2010) encontraram um IL mínimo de 5 kg.m-3.MPa-1 para concretos com resistências acima de 50 MPa. Os autores estabelecem o valor de 5 kg.m-3.MPa-1 como uma meta realista em um futuro não tão distante. Para concretos de 20 MPa, o IL mínimo encontrado foi de cerca de 13 kg.m-3.MPa-1.Os autores também sugerem que são necessárias mais pesquisas sobre as implicações das reduções significativas de teor de cimento no desempenho a longo prazo dos concretos, pois a resistência à compressão pode não ser o único parâmetro a definir o consumo mínimo de cimento.
Depois de Damineli et. al (2010), alguns outros estudos utilizaram esses indicadores (IC e IL) para medir a eficiência de concretos convencionais (YANG; SONG; SONG, 2016; SCRIVENER; JOHN; GARTNER, 2018; GRAZIA et al., 2019; MATOS;
SAKATA; PRUDÊNCIO, 2019; LIM; ELLIS; SKERLOS, 2019).
Scrivener, John e Gartner (2018) apresentam dados de IC e IL, de concretos desenvolvidos na Universidade de São Paulo (USP), com valores de IL inferiores a 5 kg.m-3.MPa-1 e IC inferior a 2 kg.m-3.MPa-1.Os autores uniram estes resultados com os dados de Damineli et al. (2010), conforme apresentado nas Figuras 9 e 10.
Figura 9 Novos resultados de intensidade de ligantes (IL) versus resistência à compressão, aos 28 dias, do estudo de Scrivener, John e Gartner (2018)
Figura 10 Novos resultados de intensidade de CO2 (IC) versus resistência à compressão, aos 28 dias, do estudo de Scrivener, John e Gartner (2018)
O IL mínimo observado foi de 2 kg.m-3.MPa-1para concretos com resistência à compressão acima de 50 MPa. Para concretos com resistência à compressão de 30 MPa a intensidade mínima de ligante foi de cerca de 8 kg.m-3.MPa-1, mas a média foi de cerca de 12 kg.m-3.MPa-1. O IC mínimo observado foi de cerca de 2 kg.m-3.MPa-1 para concretos com resistência à compressão entre 40 - 50 MPa e que aumentou exponencialmente para resistências mais baixas. Os valores de IC mais baixos foram alcançadas substituindo o clínquer por adições minerais (SCRIVENER, JOHN;
GARTNER, 2018).
Grazia et al. (2019) avaliaram misturas com baixos conteúdos de cimento, obtidos utilizando modelos de empacotamento de partículas (MEP). Os autores encontraram, para todas as misturas analisadas, valores de IL inferior a 5 kg.m-3.MPa-1, com resistência à compressão entre 40 e 60 MPa, e consumos de ligantes abaixo de 250 kg.Isso representa concretos com ecoeficiências elevadas quando comparados com os valores do panorama estabelecido por Damineli et al. (2010), conforme pode ser observado na Figura 11.
Figura 11 Resultados de intensidade de ligantes (IL) versus resistência à compressão, aos 28 dias, do estudo de Grazia et al. (2019)
Observa-se que já foram encontrados valores inferiores à meta estabelecida por Damineli et al. (2010). Isso evidencia que melhores eficiências são possíveis para os concretos convencionais, quando comparadas com os valores do panorama estabelecido em 2010 por Damineli et al. (2010). Assim, a estratégia de otimização de ligantes para
redução das emissões de CO2 se torna ainda mais promissora, tendo em vista que na última década é crescente a obtenção de concretos com melhores eficiências.
As principais metodologias aplicadas para a redução do consumo de cimento e, paralelamente, ao ganho de resistência são: a redução da relação água/cimento, utilização de adições minerais para melhoria da zona de transição e refinamento dos poros, uma completa dispersão das partículas com o uso de aditivos superplastificantes, e máximo preenchimento do volume do concreto pelos agregados (CAMPOS, KLEIN; MARQUES FILHO, 2020; GRAZIA et al. 2019; MATOS; SAKATA; PRUDÊNCIO, 2019;
BARBOZA, 2016; WASSERMANN; KATZ; BENTUR, 2009; REBMANN, 2011).
Em um concreto com menor consumo de cimento, e, portanto, maior conteúdo de agregados, tem-se maior área superficial de cada grão de agregado, portanto zonas de interface de maior extensão (REBMANN, 2011). Dessa forma, melhorias na zona de transição, decorrentes do uso de aditivos e adições minerais, são muito recomendáveis nos concretos com baixo consumo de cimento.
No levantamento realizado por Damineli et al. (2011), todas as misturas com IL <
6 kg.m-³.MPa-¹ apresentaram adições de partículas finas dispersas. Dentre esses finos, a faixa granulométrica entre 1 e 25 𝜇m (grãos de tamanho igual aos cimentos mais comuns) é ainda pouco explorada, como apontado por Damineli (2013). O autor justifica uma maior demanda de água para essa faixa, porém afirma que é uma das alternativas mais promissoras do ponto de vista do empacotamento de partículas, e que o aumento na demanda de água pode ser compensado com o uso de dispersantes.
Barboza (2016) afirma que a influência do empacotamento é mais expressiva para as adições mais finas, como a sílica ativa. O uso de sílica ativa em proporções de 5 a 10
% já é comum na produção de concretos de alto desempenho. Melo (2000) afirma que a proporção de 10 % de sílica ativa é capaz de contribuir, com boa relação custo/benefício, com o incremento da resistência mecânica, principalmente em idades mais avançadas.
Pereira (2010) indica ainda que a troca de cerca de 25 % de sílica ativa por metacaulinita melhora o empacotamento entre estes materiais mais finos, obtendo ganhos de resistência, como visto num estudo realizado com argamassas.
Rebmann (2011) utilizou 7,5 % de sílica ativa e 2,5 % de metacaulinita, em proporção volumétrica, em relação ao total de aglomerantes, com consumos de cimento de 279 e 199 kg/m³ e obteve IL de 4,1 e 3,8 kg.m-³.MPa-¹, respectivamente.
Outro exemplo é o estudo apresentado por Rebmann, Trigo e Liborio (2010), no qual foram avaliados dois concretos convencionais. O primeiro com consumo de cimento Portland de 260 kg/m³ sem adição e o segundo com 235 kg/m³ de cimento e 18 kg/m³ de sílica ativa. O primeiro apresentou resistência à compressão, aos 28 dias, de 24,2 MPa e IL de 10,7 kg.m⁻³.MPa⁻¹; o segundo apresentou resistência de 37 MPa e IL de 6,3 kg.m⁻³.MPa⁻¹, ou seja, um concreto mais eficiente quando comparado com o primeiro concreto sem adições.
Damineli (2013) também produziu um concreto de 210 kg/m³ de cimento Portland e 10 kg/m³ de sílica ativa, obtendo um IL de 2,38 kg.m⁻³.MPa⁻¹, sendo o concreto de maior eficiência produzido em seu estudo.
Matos, Sakata e Prudêncio (2019) avaliaram o uso de cinza volante em substituição ao cimento Portland nos teores de 10, 20 e 30 %. Os concretos contendo cinzas volantes mostraram resistências à compressão, aos 28 dias, de até 59 MPa (10 % de cinzas volantes), 58 MPa (20 % de cinzas volantes) e 55 MPa (30 % de cinzas volantes), com bons indicadores de durabilidade. Esses resultados são provenientes de traços com 365 kg/m³ de ligantes e portanto, geram IL de 6,2 kg.m⁻³.MPa⁻¹, 6,3 kg.m⁻³.MPa⁻¹ e 6,6 kg.m⁻³.MPa⁻¹, respectivamente.
O emprego dos fíleres também é uma opção para a melhoria da matriz cimentícia dos concretos ecoeficientes, pela sua função de preenchimento e, consequentemente, empacotamento das partículas no sistema. O uso de finos inertes tem sido desprezado devido ao fato de comumente demandarem maior teor de água, diminuindo a resistência, já que não contribuem de forma importante com a resistência mecânica dos concretos por meio dos processos de hidratação. Porém, a utilização dos aditivos químicos é capaz de dispersar os finos de forma efetiva, o que permite formulações de concretos com resistências equivalentes, como já foi demonstrado nos estudos de Damineli (2013), Damineli et al. (2017), Barboza (2016), Rebmann, Trigo e Liborio (2010), Barboza e Almeida Filho (2015) e Grazia et al. (2019).
Quando se tem a pretensão de reduzir a relação água/cimento (a/c) sem aumentar o consumo de cimento, necessariamente será necessária a inserção de aditivos superplastificantes nas misturas. No estudo realizado por Damineli (2013), os menores valores de IL dos concretos brasileiros (< 5 kg.m⁻³.MPa⁻¹) foram obtidos por meio de uma combinação de uma relação a/c muito baixa, misturas com sílica ativa e aditivos superplastificantes, resultando em concretos com resistência à compressão sempre acima de 60 MPa.
Matos, Sakata e Prudêncio (2019) utilizaram um teor máximo de 1 % de aditivo superplastificante para todas as misturas analisadas. Campos, Klein e Marques Filho (2020) utilizaram um teor máximo de 1,8 % de aditivo superplastificante, teor que variava de acordo com o teor de pasta do concreto. A mistura com 29 % de pasta (ou seja, o menor teor de pasta), utilizou 1,8 % de SP, em massa em relação aos ligantes, ao aumentar o volume da pasta para 31 %, o teor de aditivo foi de 1,5 % e para 33 % de pasta, o teor de SP foi de 1,2 %.
3 ECOEFICIÊNCIA NO CONSUMO DE CIMENTO X COMPORTAMENTO DOS CONCRETOS COM RCD
O capítulo anterior apresentou um panorama sobre a produção de cimento, as emissões de CO2 associadas e estratégias que vem sendo adotadas para mitigação dessas emissões. Além disso, apresentou os indicadores de desempenho utilizados para os concretos convencionais que serão aplicados para os concretos reciclados e um panorama da eficiência de ligantes para os primeiros. O comportamento dos concretos reciclados normalmente é diferente dos concretos convencionais. Os agregados reciclados de RCD apresentam características específicas que podem impactar nas propriedades do concreto, o que têm uma implicação sobre a ecoeficiência no uso de ligantes, principalmente no caso da resistência à compressão.